毫米波蜂窝无线网络的信道测量与研究

2019-05-10董妮娅林毅重庆邮电大学移通学院重庆邮电大学重庆400065

数码世界 2019年4期

董妮娅林毅重庆邮电大学移通学院重庆邮电大学重庆 400065

1 引言

蜂窝数据的需求一直在以惊人的速度增长，为了应对这一挑战，采用30至300 GHz频带的毫米波蜂窝系统越来越受到人们关注。该系统在高频率下具有极大的可用频谱带宽，但是由于毫米波的波长极短，信号非常容易受到阴影的影响，从而降低信道质量。因此，我们以小蜂窝在城市环境中的部署为重点，对毫米波蜂窝无线网络的信道进行了测量和研究，为实现下一代蜂窝系统提供参考。

2 毫米波蜂窝网络

目前，毫米波传输系统已被用于60GHz频段中的高吞吐量无线局域网（LAN）和个人局域网（PAN）系统。虽然这些系统提供超过1 Gb/s的速率，但链路通常用于短程或点对点视距（LOS）当中。虽然毫米波提供的带宽远远大于当前蜂窝系统所能提供的带宽，但人们担心毫米波信号的传播距离短，信号阴影严重，因此怀疑毫米波频段对于需要在较长距离的非视距（NLOS）路径上进行可靠通信的蜂窝系统是否可行。

最近的两个趋势促使人们重新考虑毫米波蜂窝的可行性。首先，CMOS射频和数字处理的进步使低成本的毫米波芯片适用于商用移动设备，此外，由于毫米波波长极短，可以在整个移动设备中安置大规模天线阵列以获得空间分集增益。其次，蜂窝网络已朝着更小的半径发展，特别是在最新的蜂窝标准中支持微微蜂窝和毫微微蜂窝异构网络。在许多密集的城市地区，蜂窝半径通常小于100米，通常在毫米波信号覆盖范围内。

3 毫米波蜂窝信道测量

随着60GHz LAN和PAN系统的发展，毫米波信号在室内环境中的传播模型已经比较成熟，而在微蜂窝网络的室外环境中传播的研究相对较少。由于缺乏实际测量的数据，许多早期研究依赖于具有各种反射假设的分析模型。这些模型通常假设传播将由LOS链路或具有一些强镜面反射的链路共同作用，因此分析结果可能不准确。

为了评估毫米波网络的可行性，我们首先进行了城市环境中毫米波信号的近距离信道测量，并总结出路径损耗结果。覆盖范围是毫米波系统面临的关键问题之一。因此，正确评估毫米波系统的关键是首先确定路径损耗如何随距离变化。为此，图1显示了在距发射器不同距离处测得的全向路径损耗的散点图。在28G和73GHz测量中，根据测量时的分类，每个点被分类为处于NLOS或LOS状态。再分别拟合LOS和NLOS路径损耗。图1显示LOS路径损耗大致遵循基于Friis定律的自由空间传播规律（虚线所示）。

对于NLOS点，可以应用下式进行线性拟合：

其中d是以米为单位的距离，α是最佳拟合截距，β是最佳拟合斜率，σ2是对数正态分布方差。

我们可以将实验得出的毫米波路径损耗模型（1）与传统蜂窝系统中使用的模型进行比较。标准3GPP城市微蜂窝传播（UMi）路径损耗模型由下式给出：

其中d是以米为单位的距离，fc是以千兆赫为单位的载波频率。我们看到，我们用于28和73 GHz单位增益天线的传播模型预测全向路径损耗，对于大多数距离，其比2.5 GHz处的3GPP UMi模型高约20 dB。但是，28G和73 GHz的波长比2.5 GHz时小约10-30倍。因为对于相同天线尺寸，波束成形增益随着频率而增长，所以可以通过在发射器或接收器处应用波束成形来完全补偿路径损耗的增加。我们的结论是，在相同的物理天线尺寸下，毫米波传播不会有相对于当前蜂窝频率的路径损耗的增加，甚至可以比现今的系统有所改进。此外，通过大规模天线阵列的空间复用还可以进一步提高增益。